Раздел 4. Экологические проблемы производства, испытания, эксплуатации и утилизации светотехнических приборов
Лекция 15
Загрязнители
1.Антропогенные загрязнители воздуха, воды и почвы.
2.Фотохимический смог.
3.Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ.
4.Экологические проблемы нанесения покрытий.
1.Антропогенные загрязнители воздуха, воды и почвы
К особо опасным газообразным загрязнителям атмосферы можно отнести широкий класс соединений, которые образуются, в основном, на химических производствах, на объектах атомной промышленности и на электронных производствах. Приведем их перечень.
1). На химических производствах:
– оксиды азота NxOy (x£2, y£5),
– фториды фосфора,
– аммиак,
– кислоты HCN, HNO3, H2SO4, H3PO4,
– фтор - и хлорсодержащие соединения,
– оксиды углерода COx (x£2),
– оксиды серы SOx (x£3),
– фосфорорганические соединения,
– чрезвычайно токсичные диоксин и метилизоцианат,
– отравляющие вещества типа зарин, зоман, табун, V-газы и др.
2). На объектах атомной промышленности, включая радиохимические производства:
– трибутилфосфат,
– сернокислые, азотнокислые или фосфорно-сернокислые соединения урана и сопровождающие их компоненты первичного сырья,
– органические экстрагенты (алкилфосфорная кислота, амины и т. д.),
– азотнокислые соединения, содержащие уран, плутоний, другие актиниды и продукты деления, UF4, UF6,
– фториды галогенов (фториды Cl, Br, I),
– аэрозоли с включениями компонент боросиликатных и фосфатных стекол,
– продукты взаимодействия одного из наиболее опасных компонентов аварийных выбросов, каким является UF6, с парами атмосферной воды, органическими соединениями, углеводородами, аминами, CO2 и др., в результате чего образуются UOF4, UF4, UO2F2, NH4UF5, карбонилфториды и др.
3). На электронных производствах:
– летучие неорганические фториды и гидриды элементов IV-VI групп 2-4-го периодов периодической таблицы (SiF4, NF3, SbF5, AsF5, SF6, SeF6, SiH4, GeH4, PH3, AsH3, H2S, H2Se и др.), которые нашли широкое практическое применение, выращивания полупроводниковых эпитаксиальных структур типа A3B5 и т. д.
Это далеко не полный перечень вредных для здоровья аэрозольных составляющих.
Несмотря на то, что аэрозоли составляют не более 10 % от общей массы антропогенных загрязнителей атмосферы, потенциальный ущерб от этого типа загрязнителей существенно больше.
Аэрозольные частицы, основными источниками которых являются автотранспорт, промышленные объекты, объекты по уничтожению мусора, вулканический пепел, продукты ветровой эрозии, дорожная пыль, продукты лесных пожаров и др., наносят существенный ущерб здоровью, вызывая болезни легких; усиливают негативные химические реакции в атмосфере; уменьшают прозрачность атмосферы; увеличивают вероятность туманов, облаков и осадков (в том числе кислотных); снижают поток солнечной радиации, что вызывает изменение окружающей температуры и биологической скорости роста деревьев, в широких масштабах влияют на почвы.
Кроме того, большую опасность для здоровья человека представляет биологическая компонента атмосферного аэрозоля, содержащая различные кокки (стрептококки, стафилококки и др.). Аэрозоли являются одним из основных каналов попадания вредных примесей и тяжелых металлов (Zn, Sr, Br, Sb, Ba, Pb и др.) в акватории рек, озер и морей.
2.Фотохимический смог
В общем смысле смог (англ. smok, от smoke – дым и fog-туман) – это сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах. Смог бывает двух типов.
Первый тип смога представляет собой густой туман с примесью дыма или газовых отходов производства (напр., в Лондоне). Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности.
Второй тип смога – фотохимический смог. Фотохимический смог – это пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации (без тумана), возникающая под действием ультрафиолетовой радиации Солнца в воздухе в результате фотохимических реакций, происходящих в газовых выбросах автомашин и химических предприятий (напр., в Лос-Анджелесе).
Химические реакции, происходящие под действием света изучаются в специальном разделе химии, которая носит название фотохимии. Фотохимия тесно связана с оптикой и оптическими излучениями.
Под действием кванта света, обладающего достаточно высокой энергией, молекулы превращаются в ионы. Этот процесс называется фотоионизацией. В этом процессе ионизуемые частицы получают энергию ионизации от фотонов (квантов электромагнитного излучения). Молекула вещества при поглощении кванта света переходит из основного в возбуждённое состояние, в котором она и вступает в химическую реакцию. Отношение числа молекул, вступивших в фотохимическую реакцию, к числу поглощённых квантов света называется квантовым выходом фотохимической реакции.
Фотохимические процессы происходят в верхних слоях атмосферы под действием излучения Солнца. В результате этого образуется фотохимический смог, состоящий из аэрозолей.
Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенной физико-географической обстановке: наличия в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов, озона и других загрязнителей в условиях интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздушных масс в приземном слое. Основными «поставщиками» исходных химических веществ для образования фотохимического смога являются выхлопные газы автомобилей.
Печальный рекорд со фотохимическим смогом принадлежит Лос-Анжелесу. Формирование смога в этом городе обусловлено тем, что он расположен в низине и окружен со всех сторон холмами. В прежние годы в городе фиксировались 270 дней в году со смогом. Большое количество автомобилей выбрасывают массу выхлопных газов, причем теплые газы вредных веществ остаются в непосредственной близости от земной поверхности. Это отрицательно сказывается на растительности, животных и на человеке.
По своему физиологическому воздействию на человеческий организм фотохимический смог крайне опасен, особенно для дыхательных и кровеносных систем. При воздействии смога возникает стойкая неспособность крови к усвоению и переносу кислорода.
В образовании фотохимического смога участвуют многие загрязнители воздуха, среди которых NO и NO2 представляют особую опасность.
Монооксид азота NO образуется в малых количествах в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания при прямом соединении азота с кислородом. В выхлопных газах присутствует также некоторое количество NO2, который образуется непосредственно в автомобильном двигателе или при окислении NO. Часть NO2, растворяясь в парах воды, превращается в азотную кислоту. Другая часть NO2 на солнечном свету подвергается фотохимической диссоциации:
NO2 + hn ® NO + О.
Для протекания реакции требуется энергия 304 кДж/моль, что соответствует энергии фотонов с длиной волны 393 нм.
Образующийся атомарный кислород может вступать в разнообразные реакции, в том числе в реакцию образования озона, который способен быстро окислять NO до NO2.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.271-272).
3.Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ
Одним из основных путей ограничения негативного влияния на биосферу является нормирование допустимых уровней воздействия на окружающую среду. Нормированием определяется качество окружающей среды.
Качество окружающей (природной) среды – это совокупность показателей состояния ее экологических систем, которое обеспечивает процессы обмена веществ и энергии в природе.
Нормативы качества базируются на трех основных показателях:
1. Медицинском – пороговом уровне угрозы здоровью человека, его генетической программе.
2. Технологическом – способности экономики обеспечить техническими средствами выполнение установленных пределов воздействия на человека и среду его обитания.
3. Научно-техническом – способности с помощью техническими средствами контролировать соблюдение норм воздействия на окружающую среду.
В настоящее время главными нормативами качества окружающей среды являются предельно допустимые концентрации (ПДК) химических (включая радиоактивные) и биологических веществ и микроорганизмов в атмосфере, воде и почве.
Предельно допустимая концентрация – это максимальное количество вредного вещества в единице объёма (воздуха, воды или др. жидкостей) или веса (например, пищевых продуктов), которое при ежедневном воздействии в течение неограниченно продолжительного времени не вызывает в организме каких-либо патологических отклонений, а также неблагоприятных наследственных изменений у потомства.
Для установления ПДК используют расчётные методы, результаты биологических экспериментов, а также материалы динамических наблюдений за состоянием здоровья лиц, подвергшихся воздействию вредных веществ.
Установление численного значения ПДК основывается на следующих предпосылках:
1. Допустимой признается такая концентрация, которая прямо или косвенно не оказывает вредного или неприятного воздействия на человека (его работоспособность, самочувствие и настроение).
2. Привыкание к вредному веществу недопустимо.
3. Воздействие на человека оценивается по влиянию на самые чувствительные орган с двукратным или трехкратным запасом.
4. Реакция организма определяется по данным объективных измерений.
Разработка нормативов ПДК проводится с применением методов токсикологии.
Большая часть исследований проводится в экспериментах на животных (крысах, мышах, кроликах, обезьянах и др.).
Уровни ПДК одного и того же вещества различны для разных объектов внешней среды (например, для свинца и его неорганических соединений ПДК в воде водоёмов хозяйственно-питьевого назначения – 0,1 мг/л, в воздухе производственных помещений – 0,01 мг/м3, в атмосферном воздухе – 0,007 мг/м3). При нормировании ПДК учитывают воздействие вещества на людей любого возраста (в т. ч. и больных) в течение всей жизни, а также другие факторы (например, влияние на общий санитарный режим водоёма, возможности возникновения неприятных запахов в окружающем воздухе и т. д.).
Правилами по охране поверхностных вод определены раздельные ПДК для водоёмов хозяйственно-питьевого и рыбопромыслового назначения. Установлено, что принятые уровни ПДК веществ в атмосферном воздухе, рассчитанные на охрану здоровья человека, в ряде случаев недостаточны для охраны зелёных насаждений. Современной гигиеной разрабатываются нормативы ПДК, учитывающие вредные влияния соответствующих веществ и на зелёные насаждения.
Уровни ПДК включены в стандарты, санитарные нормы и др. нормативные документы, обязательные для исполнения. Их учитывают при проектировании технологических процессов, оборудования, очистных устройств и пр. Санитарно-эпидемиологическая служба в порядке сан. надзора систематически контролирует соблюдение нормативов ПДК в воде водоёмов хозяйственно-питьевого водопользования (см. Санитарная охрана водоёмов), атмосферном воздухе (см. Санитарная охрана воздушного бассейна) и в воздухе производственных помещений. Контроль за состоянием водоёмов рыбопромыслового назначения осуществляют органы рыбнадзора.
В России утверждены гигиенические нормативы – ПДК (предельно допустимые концентрации) и МДУ (максимально допустимые уровни) ртути в различных компонентах среды обитания.
Высокая опасность загрязнения ртутью во многом обусловливается ее своеобразными физико-химическими свойствами. Как известно, ртуть представляет собой блестящий, серебристо-белый тяжелый жидкий металл, который даже в обычных условиях обладает повышенным давлением насыщенных паров и испаряется с довольно высокой скоростью, которая с ростом температуры увеличивается. Это приводит к формированию опасной для живых организмов ртутной атмосферы. Например, при 24оС атмосферный воздух, насыщенный парами ртути, может содержать их в количестве около 18 мг/м3, что почти в 1800 раз превышает ПДК этого металла в воздухе рабочей зоны и в 60000 раз ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов.
(http:// www. rtut-arb. ru/Lamp. html).
Изучение нормы ПДК предусмотрено на практическом занятии.
4.Экологические проблемы нанесения покрытий
4.1. Виды покрытий
Назначение покрытий – защита от коррозии, придание красивого внешнего вида и некоторых свойств поверхностному слою, отличных от основного материала (твердости, электропроводности и др.). Виды покрытий определяются способами их получения, материалом и толщиной покрытия и его последующей обработкой. Различают покрытия на неорганической основе – металлические и химические (оксидные) и покрытия на органической основе, лакокрасочные, полимерные и пластмассовые.
Металлические покрытия представляют собой тонкий слой металла, нанесенного на поверхность. Покрытия бывают анодные и катодные. Анодными защитными покрытиями называют такие покрытия, электрохимический потенциал металла которого в данной среде более электроотрицателен, чем электрохимический потенциал основного металла; катодными – покрытия с обратным соотношением потенциалов.
Технологический процесс получения металлических покрытий предусматривает помимо механической обработки проведение обезжиривания (бензин, керосин, известь, химический или электрохимический способ). Затем для удаления тонких оксидных пленок изделия погружают в 10%-ный раствор серной или соляной кислоты и далее промывают водой. После этого наносят покрытия электрохимическим (гальваническим) или химическим способом.
Как видно из описания процесса нанесение металлических покрытий ложится тяжелым бременем на окружающую среду.
Лакокрасочные покрытия также предусматривают очистку изделий (химическая или механическая) и последующее обезжиривание. Далее изделие грунтуется слоем грунта около 20 мкм. Грунт наносится распылением, окунанием или кистью. Для выравнивания загрунтованной поверхности применяют шпатлевки. Шпатлевка – это пастообразная масса, содержащая различные пигменты, наполнители, лаки с добавкой пластификаторов). Далее производится нанесение лакокрасочных покрытий и сушка изделия.
Нанесение лакокрасочных покрытий сопряжено с использованием различных растворителей и летучих соединений, которые обуславливают загрязнение, в основном, воздуха.
